油基鉆井液

1、油基鉆井液,中國石油大學（北京）2008年10月,定義及類型,油基鉆井液是指以油作為連續(xù)相的鉆井液。兩種油基鉆井液——全油基鉆井液和油包水乳化鉆井液。在全油基鉆井液中，水是無用的組分，其含水量不應超過10%；而在油包水鉆井液中，水作為必要組分均勻地分散在柴油中，其含水量一般為10～60%。,油基鉆井液的優(yōu)缺點,與水基鉆井液相比較，油基鉆井液具有能抗高溫、抗鹽鈣侵、有利于井壁穩(wěn)定、潤滑性好和對油氣層損害程度較小等多種優(yōu)點。目前已成

2、為鉆高難度的高溫深井、大位移井、水平井和各種復雜地層的重要手段，并且還可廣泛地用作解卡液、射孔完井液、修井液和取心液等。油基鉆井液的配制成本比水基鉆井液高得多，并對井場附近的環(huán)境會造成影響。,油基鉆井液的發(fā)展階段,油基鉆井液的組成,油包水乳化鉆井液是以水滴為分散相，油為連續(xù)相，并添加適量的乳化劑、潤濕劑、親油膠體和加重劑等所形成的穩(wěn)定的乳狀液體系?；停˙ase Oil）在油包水乳化鉆井液中用作連續(xù)相的油稱為基油，目前普遍使用的

3、基油為柴油（我國常使用零號柴油）和各種低毒礦物油。為確保安全，其閃點和燃點應分別在82℃和93℃以上。由于柴油中所含的芳烴對鉆井設備的橡膠部件有較強的腐蝕作用，因此芳烴含量不宜過高，一般要求柴油的苯胺點在60℃以上。苯胺點是指等體積的油和苯胺相互溶解時的最低溫度。苯胺點越高，表明油中烷烴含量越高，芳烴含量越低。為了有利于對流變性的控制和調整，其粘度不宜過高。,一、基 油,各種基油的物理性質,注：Mentor 26、Ment

4、or 28、Escaid110、LVT和BP8313均為常用礦物油的代號。,油基鉆井液的組成,水相（Water Phase）：淡水、鹽水或海水均可用作油基鉆井液的水相。但通常使用含一定量CaCl2或NaCl的鹽水，其主要目的在于控制水相的活度，以防止或減弱泥頁巖地層的水化膨脹，保證井壁穩(wěn)定。油包水乳化鉆井液的水相含量通常用油水比來表示。一般情況下，水相含量為15～40%，最高可達60%，且不低于10%。在一定的含水量范圍內，隨著

5、水所占比例的增加，油基鉆井液的粘度、切力逐漸增大。因此，人們常用它作為調控油基鉆井液流變參數(shù)的一種方法，同時增大含水量可減少基油用量，降低配制成本。但是，隨著含水量增大，維持油基鉆井液乳化穩(wěn)定性的難度也隨之增加，必須添加更多的乳化劑才能使其保持穩(wěn)定。對于高密度油基鉆井液，水相含量應盡可能小些。在實際鉆井過程中，一部分地層水會不可避免地進入鉆井液，即油水比呈自然下降趨勢，因此為了保持鉆井液性能穩(wěn)定，必要時應適當補充基油的量。對于全油

6、基鉆井液，水是應加以清除的污染物，但一般3～5%的水是可以容納的，不必一定要清除，因為靠增加基油來減少水量會使鉆井液成本顯著增加。,二、水 相,油基鉆井液的組成,乳化劑（Emulsifier） 為了形成穩(wěn)定的油包水乳化鉆井液，必須正確地選擇和使用乳化劑。一般認為乳化劑的作用機理是： 在油/水界面形成具有一定強度的吸附膜；降低油水界面張力；增加外相粘度;以上三方面均可阻止分散相液滴聚并變大，從而使乳狀液保

7、持穩(wěn)定。其中又以吸附膜的強度最為重要，被認為是乳狀液能否保持穩(wěn)定的決定性因素。,三、乳化劑,,,,油基鉆井液的組成,在油包水乳化鉆井液中，常用的乳化劑有以下類型：高級脂肪酸的二價金屬皂，如硬脂酸鈣：烷基磺酸鈣：烷基苯磺酸鈣：斯盤-80（或span-80），主要成分為山梨糖醇酐單油酸脂：此外，國內用于油包水乳化鉆井液的乳化劑還有：環(huán)烷酸鈣、石油磺酸鐵、油酸、環(huán)烷酸酰胺和腐植酸酰胺等。國外在該類鉆井液中使用的乳化劑多用代號表示

8、，如Oilfaze、Vertoil、EZ-Mul 、DFL和Invermul等都是常用的乳化劑。,油基鉆井液的組成,值得注意的是，在以上乳化劑中，屬于陰離子表面活性劑的都是有機酸的多價金屬鹽（鈣鹽、鎂鹽和鐵鹽等，以鈣鹽居多），而不選擇單價的鈉鹽或鉀鹽。由于皂分子具有兩親結構，即烴鏈是親油的，而離子型基團―COO¯是親水的，因此當皂類存在于油、水混合物中時，其分子會在油水界面自動濃集并定向排列，將其親水端伸入水中，親油端伸入油

9、中，從而導致導致界面張力顯著降低，有利于乳狀液的形成。,楔形穩(wěn)定理論,一元金屬皂的分子中只有一個烴鏈，這類分子在油水界面上的定向排列趨向于形成一個凹形油面，因而有利于形成o/w型乳狀液；而二元金屬皂的分子中含有兩個烴鏈，它們在界面上的排列趨向于形成一個凸形油面，有利于形成w/o型乳狀液。這種由乳化劑分子的空間構型決定乳狀液類型的原理在膠體化學中被稱作定向楔形理論。其含義是，將乳化劑分子比喻成兩頭大小不同的楔子，如果要求它們排列緊密和穩(wěn)定

10、，那末截面小的一頭總是指向分散相，截面大的一頭則留在分散介質。,油基鉆井液的組成,大多數(shù)天然礦物是親水的。當重晶石粉和鉆屑等親水的固體顆粒進入w/o型鉆井液時，它們趨向于與水聚集，引起高粘度和沉降，從而破壞乳狀液的穩(wěn)定性。為了避免以上情況的發(fā)生，有必要在油相中添加潤濕控制劑，簡稱潤濕劑。潤濕劑也是具有兩親結構的表面活性劑，當其分子聚集在油和固體的界面并將親油端指向油相時，原來親水的固體表面便轉變?yōu)橛H油，這一過程常被稱作潤濕反轉（Wet

11、tability Reversal）。潤濕劑的加入使剛進入鉆井液的重晶石和鉆屑顆粒表面迅速轉變?yōu)橛蜐瘢瑥亩ＷC它們能較好地懸浮在油相中。雖然用作乳化劑的表面活性劑也能夠在一定程度上起潤濕劑的作用，但其效果有限。較好的潤濕劑有季胺鹽（如十二烷基三甲基溴化銨）、卵磷脂和石油磺酸鹽等。國外常用的潤濕劑有DV-33、DWA和EZ-Mul等，其中DWA和EZ-Mul可同時兼作乳化劑。,四、潤濕劑,油基鉆井液的組成,親油膠體：習慣上將有機土、

12、氧化瀝青以及親油的褐煤粉、二氧化錳等分散在油包水乳化鉆井液油相中的固體處理劑統(tǒng)稱為親油膠體，其主要作用是用作增粘劑和降濾失劑。其中使用最普遍的是有機土，其次是氧化瀝青。有了這兩種處理劑，可以使油基鉆井液的性能可以象水基鉆井液那樣很方便地隨時進行必要的調整。有機土使由親水的膨潤土與季胺鹽類陽離子表面活性劑發(fā)生相互作用后制成的親油粘土。所選擇的季胺鹽必須有很強的潤濕反轉作用，目前常用的有：十二烷基三甲基溴化銨十二烷基二甲基芐基溴化銨

13、有機土很容易分散在油中起提粘和懸浮重晶石的作用，通常在100 ml油包水乳化鉆井液中加入3 g有機土便可懸浮200 g左右的重晶石粉。有機土還可在一定程度上增強油包水乳狀液的穩(wěn)定性，起固體乳化劑的作用。國外常用的有機土有Baroid公司生產(chǎn)的Geltone和M-I公司生產(chǎn)的VG-69等，其一般用量為5.7～17.1 kg/m3。,五、親油膠體,潤濕反轉原理,油基鉆井液的組成,石灰是油基鉆井液中的必要組分，其主要作用有以下方面：提供的C

14、a2+有利于二元金屬皂的生成，從而保證所添加的乳化劑可充分發(fā)揮其效能。維持油基鉆井液的pH值在8.5～10范圍內以利于防止鉆具腐蝕。可有效地防止地層中CO2和H2S等酸性氣體對鉆井液的污染，其反應式如下： Ca(OH)2 + H2S = CaS↓+ 2H2O Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓+ 2H2O在油基鉆井液中，未溶Ca(OH)2的量一般應保持在0.43～0.72

15、 kg/m3（1.5～2.5磅/桶）范圍內；或者將鉆井液的甲基橙堿度控制在0.5～1.0 cm3，當遇到CO2或H2S污染時應提至2.0 cm3。,六、石 灰,油基鉆井液的組成,加重材料：重晶石粉在水基和油基鉆井液中，都是最重要的加重材料。對于油基鉆井液，加重前應注意調整好各項性能，油水比不宜過低，并適當?shù)囟嗉尤胍恍櫇駝┖腿榛瘎?，使重晶石加入后，能及時地將其顆粒從親水轉變?yōu)橛H油，從而能夠較好地分散和懸浮在鉆井液中。對于密度小于

16、1.68 g/cm3（14 ppg）的油基鉆井液，也可用碳酸鈣作為加重材料。雖然其密度只有2.7 g/cm3，比重晶石低得多，但它的優(yōu)點是比重晶石更容易被油所潤濕，而且具有酸溶性，可兼作保護油氣層的暫堵劑。,七、加重材料,油包水乳化鉆井液推薦配方及性能參數(shù),NL Baroid 和M-I泥漿公司礦物油鉆井液和柴油鉆井液的典型組成,華北油田油基鉆井液配方及性能參數(shù),大慶油田油基鉆井液配方及性能參數(shù),美國M-I泥漿公司推薦的配漿程序,洗凈并

17、準備好兩個混合罐。用泵將配漿用基油打入1號罐內，按預先計算的量加入所需的主乳化劑、輔助乳化劑和潤濕劑。然后進行充分攪拌，直至所有油溶性組分全部溶解。按所需的水量將水加入2號罐內，并讓其溶解所需CaCl2量的70%。在泥漿槍等專門設備強有力的攪拌下，將CaCl2鹽水緩慢加入油相。最好是在3 .45 MPa（500磅/英寸2）以上的泵壓下，通過1.27 cm（0.5英寸）的泥漿槍噴嘴對泥漿進行攪拌。若泵壓達不到3 .45 MPa，則應

18、選用更小噴嘴，并降低加水速度。在繼續(xù)攪拌下加入適量的親油膠體和石灰。當乳狀液形成后，應全面測定其性能，如流變參數(shù)、pH值、破乳電壓和HTHP濾失量等。如性能合乎要求，可加入重晶石以達到所要求的鉆井液密度。加重晶石的速度要適當（以每小時加入200～300袋為宜）。如重晶石被水潤濕，會使鉆井液中出現(xiàn)粒狀固體，這時應減緩加入速度，并適當增加潤濕劑的用量。當體系達到所需的密度后，加入剩余的粉狀CaCl2，最后再進行充分攪拌。,水基和油基鉆

19、井液的密度變化量與溫度、壓力的關系,油基鉆井液的流變性,預測高溫高壓下油基鉆井液表觀粘度的數(shù)學模型,,(AV)T，P = (AV)0 exp[A(1.8 T – 43.0)+ Bp],T —— 溫度，℃；P —— 壓力，Pa； (AV)T，P—— 溫度為T和壓力為p條件下的表現(xiàn)粘度，mPa?s；(AV)0 —— 溫度為23.9℃（常溫）、表壓為0（常壓）條件下的表觀粘度，mPa?s ；A —— 溫度常數(shù)，(℃)–1；B —

20、— 壓力常數(shù)，(Pa) –1。,各種油基鉆井液和基油的特性常數(shù),,,油基鉆井液的乳化穩(wěn)定性,衡量乳狀液穩(wěn)定性的定量指標主要是破乳電壓，測量油基鉆井液破乳電壓的實驗稱為電穩(wěn)定性（ES）實驗。使乳狀液破乳所需的最低電壓稱為破乳電壓，其值越高則鉆井液越穩(wěn)定。按一般要求，油包水乳化鉆井液的破乳電壓不得低于400 V。實際上，許多性能良好的鉆井液，其破乳電壓都在2000 V以上。,活度平衡的油包水乳化鉆井液,油包水乳化鉆井液的活度平衡概念是20

21、世紀70年代初由Chenevert等人首先提出的。所謂活度平衡，是指通過適當增加水相中無機鹽（通常使用CaCl2和NaCl）的濃度，使鉆井液和地層中水的活度保持相等，從而達到阻止油漿中的水向地層運移的目的。采用該項技術可有效地避免在頁巖地層鉆進時出現(xiàn)的各種復雜問題，使井壁保持穩(wěn)定。目前使用的絕大多數(shù)油基鉆井液水相中，無機鹽含量都較高，即普遍地考慮了活度平衡問題。,公式推導,式中——Pw0表示在給定溫度下純水的蒸汽壓；

22、 Pw表示在給定溫度下鹽水的蒸汽壓； mw 表示鹽溶液上方水蒸汽的化學位； mw0表示鹽溶液上方水蒸汽的化學位。,活度的定義,由于以上公式是由理想物系推導出來的，為了使上述關系對實際溶液仍然有效，Lewis提出用另一函數(shù)——逸度（Fugacity）來代替壓力，并將鹽溶液與純水的逸度比fw / fw0定義為水的活度aw。對于一般情況，則將fi / fi0稱為組分i的活

23、度，記作ai。溶液或頁巖中水的化學位與純水化學位之間的關系可表示為：,,上式表明，在一定溫度下，只有當鉆井液和頁巖地層中水的活度相等時它們的化學位才相等。因此，正如Chenevert所指出，水的活度相等是油基鉆井液和地層之間不發(fā)生水運移的必要條件。,控制活度的意義,活度控制的意義就在于，通過調節(jié)油基鉆井液水相中無機鹽的濃度，使鉆井液中水相的活度與地層中水的活度保持相等（使其產(chǎn)生的滲透壓大于或等于頁巖吸附壓），從而防止鉆井液中的水向巖層

24、運移。通常用于活度控制的無機鹽為CaCl2和NaCl。其濃度與溶液中水的活度的關系可用圖表表示。只要確定出所鉆頁巖地層中水的活度，便可由圖中查出鉆井液水相應保持的鹽濃度。,活度的測量方法,Chenevert提出用電濕度（Electrohygrometer）法測量水的活度。該儀器既可測量頁巖樣品中水的活度，又可直接測量油基鉆井液中水的活度。測量時，將濕度計的探頭置于式樣上方的平衡蒸汽中。探頭的電阻對水蒸汽的量十分敏感。在恒溫條件下

25、Pw與aw直接相關，這樣在某一濕度下就有與之相對應的aw值。電濕度計常使用某種已知活度的飽和鹽水進行校正，可供選擇的無機鹽及其飽和溶液的aw值列于下表中。,常溫下各種無機鹽飽和溶液的活度,兩種水溶液中活度與鹽濃度的關系,油基鉆井液水相中鹽濃度的確定,根據(jù)經(jīng)驗，對于所鉆遇的大多數(shù)水敏性頁巖地層，將鉆井液的aw控制在0.52～0.53，即CaCl2濃度在30～35%范圍內是適宜的。隨溫度升高，頁巖的aw 值將略有降低，而油基鉆井液的aw

26、 值略有增加。但由于影響很小，對溫度因素一般可不予考慮。,油基鉆井液中CaCl2合理加量的確定,油基鉆井液中NaCl合理加量的確定,活度平衡油包水乳化鉆井液的應用效果,鉆井實踐表明，使用活度平衡的油包水乳化鉆井液，是對付強水敏性復雜地層（包括軟的和硬的頁巖層）最為行之有效的方法。就防塌效果來說，目前使用的任何其它類型的鉆井液都無法與之相比。只有這種鉆井液能完全阻止外來液體侵入地層，因而也只有它能完全抑制住頁巖中蒙脫石、伊蒙混層等粘土礦

27、物的水化膨脹與分散。,活度平衡油包水乳化鉆井液的應用效果,全油鉆井液,由于油包水乳化鉆井液存在著剪切稀釋性能較差、需備用大量乳化劑、易產(chǎn)生潤濕反轉和乳化堵塞對油氣層造成損害等問題，近年來美國Intl泥漿公司研制出無水的全油鉆井液。該體系具有類似于水基聚合物鉆井液的流變性，有較高的動塑比，剪切稀釋性好，因而提高了鉆速，減少了井漏，改善了井眼清洗狀況及懸浮性。配制全油鉆井液時應注意以下幾點：（a）基油應選用芳香烴含量較低的柴油，最好是無